内蒙古大学环境微生物学讲义07微生物的遗传与变异

1、第七章 微生物的遗传与变异遗传（heredity）和变异（variation）是生物最本质的属性。遗传是指生物将遗传信息传递合子代的过程，它具有保守性和变异性两个方面。变异是指生物体遗传物质结构或数量的改变。变异的特点是，频率低（10-610-9）、变化大（形态或生理性状），可遗传。遗传是相对的，变异是绝对的，遗传中有变异、变异中有遗传，这种辨证关系使生物不变适应环境而进化。遗传型、表型和野生型：生物的遗传型是它的遗传物质即DNA的碱基顺序所负载的遗传信息。生物的表型是遗传型的具体体现，它能被观察和测量（如是否产荚膜或是否有耐药性等）。生物最普通的形态常称为野生型。实验中，利用人工方法提高微生

2、物的变异频率，获得正向变异株的过程，就是定向培育或驯化。驯化是获得环境工程有益微生物的有效方法。 第一节 微生物的遗传一、证明遗传与变异的两个经典实验 遗传变异的物质基础是什么呢？40年代左右，利用微生物这一个有力的实验对象进行了三个著名的经典实验，令人信服地证明核酸（DNA）是遗传变异的物质基础。它们是转化实验、噬菌体感染实验和植物病毒重建实验。 1转化实验 转化现象（transformation）是英国医生F.Griffith在1928年发现的。他以肺炎链球菌（S.dipneumoniae）为研究对象，该菌为球形，常成链或成对排列，其中有二个菌株： S型：具荚膜，光滑型菌落，可致病，使人患

3、肺炎、小鼠患败血症。R型：无荚膜，粗糙型菌落，无致病性。当时他把少量无毒的R型菌和大量加热杀死的有毒S型菌注射到小鼠体内，意外是的白鼠病死且从P体中分离到活的S型菌。可见，S型菌中有一种转化物质进入了R型菌中，并使R型菌获得其遗传性状。抽心血小鼠（健康）小鼠（）小鼠（）小鼠（）小鼠（）动物试验：示肺炎连球菌转化实验 aR型活菌8 bS型活菌 cS型死菌 d + 8 e的DNA + 8 离体试验：1941年，O.T.Auery等人在离体条件下进一步对转化的本质进行深入研究，他们从活S菌中提纯了各种可能作为转化因子的细胞组分（如DNA、RNA、Pr，荚膜多糖等），与S菌混合培养，结果发现只有DNA

4、一组产生少量S菌，证实转化因子DNA才能决定菌体蛋白的和荚漠多糖的合成，并且DNA纯度越高转化效率越高。 2影印培养实验它是用于筛选大量特殊突变菌落的方法。用无菌的丝绒布包裹的圆柱章粘取细菌的菌落，转移在两套培养基上，突变 用于纯化突变株株在一套基本培养基上不能生长，而在另一套补充培养基上可以生长，根据在前一套培养基上不能生长的特性来鉴定突变株的菌落，但从后一套培养基上进行纯化。 + 选择培养基 非选择培养基 分离突变株菌落的影印培养法 二、DNA的结构和基因表达 1DNA的结构和复制 DNA是高分化合物，由许多单核苷酸组成，每个核苷酸由磷酸，脱氧核糖及不同碱基（A. G. C. T）所构成。

5、1953年Watson and CricK 提出DNA双螺旋结构模型，即DNA是两条多核苷酸链排列的双螺旋（P150），并由碱基配对原则组合（A二T、G三C）。特定菌株的碱基对顺序固定不变，这就保证了遗传的稳定性；但当其顺序改变后，就可能导致变异。DNA可通过半保留方式复制，以其中一条链为模板，通过复制点复制。研究中我们常用到DNA的变性和复性的特点。Tm(解链温度) 退火（复性）即ds DNA 2 SSDNA RNA是核糖代替脱氧核糖，U被T取代，均可由DNA转录产生。如Trna(转移RNA)，它与mRNA互补，是将核酸序列转换为氨基酸的转换分子。rRNA(核糖体RNA)，与蛋白质共同构成核

6、糖体（合成蛋白质的场所），较保守，原核生物有5S、16S、23S三个亚基。此外还有反义RNA，与DNA互补，调节抑制遗传过程。 2基因表达调控DNA的存在形式是染色体，由DNA和蛋折质结合而成，只是原核生物无核膜包围。基因是一切生物体内储存遗传信息的，有自我复制能力的遗传功能单位。它是DNA分子上一个具有特定碱基顺序的核苷酸片断。每个细菌约有500010000个基因。DNA上遗传信息的传递规则（中心法则）是： 复制DNA反转录RNA 翻译蛋白质转录 分子遗传学上有三个奠基石，它们是：一个基因一种酶（多肽）假说；DNA双螺旋模型；DNA操纵子模型。基因调控系统操纵子operon基因表达原核生物的

7、基因调控系统研究的较清楚，可解释基因的转录、翻译和调节功能。具体包括结构基因、操纵基因和调节基因： 启动基因 Promotor 转录起始部位，RNA聚合酶结合位点。 操纵基因 Operator 结构基因表达的“开关”，是阴遏蛋 白结合位点。 结构基因 Structure geue 编码蛋白质式酶。 调节基因 regulator (): 控制结构基因表达。如产生阻遏蛋白。结构基因是通过转录、翻译过程来执行多肽的合成，多肽可以是酶或结构蛋白。例：E.coli的乳糖操纵子模式型（laetose ofperon）Repressor阻遏子 100DP 启动子 Slac操纵子-a：-米乳糖苷酶TPOZ Y

8、 Ay：乳糖透过酶MRNA三种乳糖酶诱导物乳糖 底物 失活异物乳糖信号分子。降解产物翻译转录RNA取合酶凹MRNA凹阻遏蛋白a：乙酰基转移酶lac Z. laey.lLaea的基因表达产物对由生物体利用乳糖作碳源是必需的。lac产生的阻遏蛋折可与leco结合，DNA双链无法解开，并闭了S的表达，环境中乳糖可诱导打开这一“开关”，RNA聚合酶就可沿S移动，从而转录mRNA并悉译合成乳糖酶。（环境中乳糖果缺管时关闭基因，属负调控系统。而正调控系统在培养基中缺勤管葡萄糖的情况下进行基因表达。）小结：细胞中组成型基因在所有时间都表达，而诱异型基因仅在需要时才表达，并由调控系统来实现。第二节 微生物的变

9、异和诱变育种变异是生物界的一大规律，是进化与发展的动力之一。微生物群体中个别细胞在形态（形态突变型）、生理生化（营养缺陷型、抗性突变型）等方面发生改变，这些改变的性状如能遗传，这时该微生物就变异的变种或变株。一、基因突变机制 变异的实质就是基因突变。基因突变具有不对应必性、自发性、诱变必稀有必珂递性等特点。 1突变类型：按照突变的原因，可分为自发突变和诱发突变两类。1）自发突变：是指无人工参与下生物体自然发生的突变。概率10-6-9原因可能是多因素低剂量综合效应，如宇宙空间各种短波辐射等。互变异构效应，如T不以酮基而以烯醇式出现时，可与G配对。2）诱发突变：由各类诱变因素引起的突变。诱变剂是指

10、凡能显著提高突变率的因素（现化因子）。诱变剂的种类很多，如紫外辐射属物理诱变，硝基弧属化学诱变。 2突变形式： 转换 A G； T C 碱基置换 颠换A T、C；G T、C基因突变形式移码突变 缺失 AGC AU GAG 添加 AGC AUA GAG 碱基置换通常由两类诱变剂引起，一类是强化学诱变剂如亚硝酸、硝基弧等可真接与碱基反应引起轩换；另一类是一些碱基类似物如5-溴尿嘧啶可在DNA复制时替代胸腺嘧啶（T）间接引起置换（见下图）。移码突变是指在DNA分子上缺失或插入1、2个碱基，引起碱基突变点后面全部遗传密码转录和翻译的错误。 酪 丝 脯 苏 谷 UAC AGU CCU ACA GAA 正

11、常密码子 UAC AGA UCC UAC AGA A 移码 酪 精 丝 酪 精 以上介绍的基因突变也称点突变。除此之外，引起变异的也可能是染色体畸变或转座因子等原因。二、定向培育（驯化）与诱变育种 1定向培育：利用特定因素通过自发突变筛选优良品种。即用某一特定因素长期处理微生物群体，从中选择突变体。例如：广泛应用的卡介苗（BCG vaccine）就是由法国的Callmette auel Guerin经13年定向培育获得。学时，他俩把牛型结核分枝杆菌接在牛胆汁、甘油和马铃薯培养基上，连续230次移种，1923年获得显著减毒的卡介苗。当前环境工程中仍采用驯化的方法筛选优良降解菌，使它们产生适应酶，

12、改变代谢途径，更高效地降解毒物。 2诱变育种：通过诱变因素使突变率明显提高，从中筛选所需突变株。如1943年时，产黄青霉每ml发酵液仅产生20单位青霉素，通过诱变育种等措施，发酵单位提高近4千倍。第三节 基因重组 两个不同性状细胞的DNA相互融合，使基因重组合，从而产生新遗传型个体的方式，称为基因重组。基因重组可通过杂交、转化，转导等下述手段实现。一、杂交 杂交是细胞水平上的一种遗传重组方式，即通过双亲细胞融合或沟通，使染色体的基因重组。 甲 乙酵母菌的有性杂交：用于乙醇发酵和面 2n 包发酵的酵母菌同属酿酒酵母，通过杂交可 减数分裂 产孢培养基 获得既能生产酒精、又能将残余酵母用于面包发酵的

13、优良酵母菌种。 双如含固氮基因的肺炎克氏杆菌（注： 破壁 培养含F因子）（nif+）与E.coli(nif-)杂交，产生 杂交（+） ()了含有固氮基因并可固氮的E.coli(nif+)。 2n “杂种”2n (二、转化（trans gormation） 转化指受体细胞直接吸收不源于供体细胞的DNA片段，整合到自己的基因组中，并获得部分遗传性状的现象。（这是前面介绍的转化实验的实质所在）。肺炎链球菌抗性基因的转化过程如下：三、转导（transduction） 通过温和噬菌体的媒介作用，把宿主细胞DNA转移到受体细胞的过程，称为转导。转导现象是1952年I. Lederberg在鼠伤寒沙门氏菌（

14、S.typhimurium）中发现的。他利用两株营养缺陷型为实验材料，做了转导的U形管试验，即 LA22（try- his+）(P22) 溶原性菌种子 （自学并课上讲解）。LA2 （try+ his-）Ecel K12的gal基因低频转导（LFT，Lac frequency transduction）机制 转导作用对基因工程的兴起具理论指导意义 第四节 基因工程及其应用 基因工程是基因水平上的遗传工程，又称基因剪接或核酸体外重组。它是人工的，离体的，分子水平上的遗传重组新技术，可完成超远缘杂交的育种新技术。可以说是把某一特定基因克隆化（克隆无性繁殖系）。一、质粒育种 质粒是染色体外DNA，也是

15、基因工程中的常用载体。目前发现质粒的基因有；F因子(E. coli性因子)，R因子（药物抗生性因子，以及各种污染物降解因了，如铜绿色假单胞菌（P. aeruginosa）有分解萘的质粒（NPL. Nephthaleno）等。质粒具有稳定遗传和自我复制的功能，可携带供给予菌一部分染色体基因一起转移，使受体菌获得新遗传性状。例如：多功能超级细菌的构建（P165） 用遗传工程获得超级细菌 上述多质粒超级细菌（假单胞菌），可使海上浮油的分解时间由1年减少到1天以内。其它的工程菌还有解烷抗汞工程菌脱色工程菌（分解偶氮料的假单胞菌）等。二、基因工程操作技术 参见挂图。示DNA体外基因重组 这方面成功的实例有：Ecoli合成人胰岛素、酵母菌生产乙肝疫苗、EPO及松果体素生产。环境工程中如除草剂2，4一二氯苯氧乙酸降解菌构建、Ecoli的降解尼龙寡聚物、几于质、抗汞菌株构建等。 三、PCR技术在环境保护中的应用 PCR（polymerase chain reation）称DNA多